WO2018091567A1 - Wärmetauscherstruktur und verfahren zu deren herstellung und verwendung - Google Patents

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WO2018091567A1
WO2018091567A1 PCT/EP2017/079398 EP2017079398W WO2018091567A1 WO 2018091567 A1 WO2018091567 A1 WO 2018091567A1 EP 2017079398 W EP2017079398 W EP 2017079398W WO 2018091567 A1 WO2018091567 A1 WO 2018091567A1
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heat exchanger
heat
exchanger structure
millimeters
wire
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PCT/EP2017/079398
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French (fr)
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Paolo Di Lauro
Lena Schnabel
Hannes Fugmann
Gunther Munz
Gerrit FÜLDNER
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/367—Cooling facilitated by shape of device
    • H01L23/3677—Wire-like or pin-like cooling fins or heat sinks
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/12—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element
    • F28F1/124—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and being formed of pins
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/40—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only inside the tubular element
    • F28F1/405—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only inside the tubular element and being formed of wires
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/022—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being wires or pins

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger structure with a body and pin-shaped, substantially parallel
  • the invention relates to methods for producing such a heat exchanger structure and to their use.
  • Such heat exchanger structures are used, for example, as heat sinks of electronic components, such as computer processors or power electronics components. Frequently, such heat sink are designed as castings or forgings, which determines a minimum thickness or a minimum cross section of the pin-shaped heat exchanger manufacturing technology.
  • DE 69329548 T2 discloses a generic heat exchanger structure in which the heat exchangers are attached to the body by means of a forging process.
  • the joining points form a homogeneous material transition during forging, i. the materials of the body and the
  • Heat exchangers go directly into each other. When forging, however, a relatively large force must be used to attach the heat exchanger to the body or from the Form main body in the die. This force causes deformation of the body and the heat exchanger occur if their material thickness is too low.
  • US 2006/0 126 308 A1 describes a heat dissipation cooler that produces an electronic device with pins bonded to a surface of a carrier.
  • the object of the present invention is to provide a heat exchanger structure and a method for its production and use, which reduces the disadvantages of the prior art, wherein an increased heat transfer between the fluid and the body is to be made possible.
  • the object is achieved by a device according to claim 1 and a manufacturing method according to claim 14 and the use according to claim 20.
  • a heat exchanger structure has a body and pin-shaped, substantially parallel longitudinal axes having heat exchangers for the exchange of heat between the body and preferably a heat transfer medium surrounding the fluidum, wherein the heat exchanger with one end via joining points on a Ober- surface of the body are attached.
  • substantially parallel is understood to mean that the heat exchangers are aligned parallel to one another during manufacture, the parallel alignment being within the usual manufacturing tolerances.
  • the heat exchangers are preferably at least partially by the fluid to heat transmitting through or flows around.
  • the heat exchanger structure thus includes at least two of the longitudinal axis parallel to each other arranged heat exchanger, wherein at least one side of the heat exchanger to a particular flat body
  • the heat exchangers have a maximum cross-sectional area which is less than 0.25 mm 2 , or less than 0.1 mm 2 or less than 0.01 mm 2 .
  • Perimeter or the largest external dimensions of the cross section of a single heat exchanger The small cross-sectional dimensions according to the invention allow a close packing of the heat exchangers. There can be so many heat transferers on a small surface of the body
  • the heat exchangers may e.g. consist of fibers or yarns or wire. Further, at the other ends of the heat exchanger, another particularly flat body may be fastened in the same way.
  • the heat exchangers increase the surface area of the fluid-side, e.g. gas side,
  • the at least one body is a hollow mold, so that a first fluid channel is formed inside the body, through which a first heat transfer medium can flow.
  • Cross-section through such a hollow shape may be polygonal or round, for example in the form of a flat tube or a round tube or form a freeform surface.
  • At least one fluid channel is formed in the body.
  • the heat exchangers can be on the inside and / or on the
  • the heat exchangers may be placed on a base plate, which in turn is joined to the outside of a tube wall.
  • the joining can be made cohesively.
  • the wall of the finished body is then carried out in two or more layers.
  • the body may have a planar basic shape in which depressions may be embossed on both sides.
  • the depressions may be arranged offset to one another, so that the depressions on the underside of a body come to lie on the upper side of the corresponding body between the depressions.
  • the heat exchangers thus take on the one hand the function of increasing the heat exchange between the heat transfer media flowing in the first fluid channels and second fluid channels.
  • the heat transferers also form
  • the joining points can for this purpose form an inhomogeneous material transition of the heat transfer medium to the body.
  • Inhomogeneous material transitions are material transitions. net, where the material of the heat exchanger and the body do not merge directly into each other. There is, for example, an intermediate material which glues or brazes the heat exchangers, for example with the body. Joining techniques that result in the formation of such joining points will occur without or almost without the need for power transmission to the body and / or the heat exchangers.
  • This embodiment is based on the finding that in cross sections according to the invention of the heat exchangers, even inhomogeneous material transitions can lead to increased efficiency of the heat exchanger structure, although inhomogeneous material transitions can reduce the heat conduction between the heat exchangers and the body. This effect occurs at maximum cross-sectional widths of heat exchangers between 0.01 millimeters to 3 millimeters, preferably from 0.05
  • the body of a heat exchanger structure according to the invention may have a tube wall with a material thickness in one
  • Thickness range between about 0.005 mm to about 0.1 mm or about 0.1 mm to about 1.0 mm or about 1.0 mm to about 10 mm.
  • Such a flat body may comprise a thin cuboid, e.g. made of sheet metal or a foil, one
  • the tube wall may be formed by a fluid-traversable rectangular structure, e.g. a flat tube, be formed.
  • the body and / or the heat transfer medium can be made, for example, of metallic materials and / or their alloys, in particular copper, aluminum or stainless steel and / or of carbonaceous materials, in particular carbon fibers, activated carbon fibers and / or glass or ceramic and / or of polymer materials, in particular polypropylene (PP), polyethylene (PE), polyamide (PA), polyether ketones (PEK), polyester (PET) and / or be made of composites thereof.
  • the body and / or the heat exchanger be designed as a heat pipe, eg made of needles.
  • the body and / or the heat exchanger are made of metal.
  • the joining points can soldering or sintering points, ie places that through
  • solder joints are firmly connected with each other, train.
  • the solder joints can be produced by hard or soft soldering.
  • Heat exchanger structure in a flowing fluid the heat exchanger, a surface structuring for
  • the heat exchanger can
  • the cross-sectional shape of the heat exchangers may be e.g. round, i. be circular.
  • the heat exchangers advantageously have heat transfer and / or flow-optimized cross sections.
  • the heat exchangers may be e.g. profiled wire with a streamlined cross-sectional shape, e.g. Tuna, dolphin, penguin shape or elliptical cross section. This leads to low pressure loss at the same time high heat transfer coefficient in flowed through heat exchanger structures and thus lower
  • the heat exchangers can have different cross-sectional shapes, which can be selected from circle, ellipse, polygon, triangle, drop shape, a tuna, dolphin, or penguin shape.
  • the heat exchangers may have different dimensions, i. e.g. different wire dimensions in cross-section and length, have.
  • Flow optimization may also include microstructuring such as sharkskin structure.
  • microstructuring as well as certain wire arrangements and wire dimensions, ie different wire dimensions and spacings, are suitable for optimizing the heat transfer with simultaneously low pressure loss.
  • Such results For the heat exchanger structure at the same power a lower weight and a smaller overall volume and thus a higher mass and volume efficiency.
  • the heat exchangers can be embedded in a sorbent, in particular coated therewith.
  • a sorbent is a mostly porous material which can be adsorbed or adsorbed, i.
  • Fluidums is suitable.
  • latent heat accumulators and / or catalytically active materials it is thus provided a compact heat exchanger structure, which can be used as a sorber and / or heat storage and thus as part of an air conditioning machine.
  • the heat exchanger can have undercuts. As a result, the evaporation and / or storage of the fluid can be improved.
  • the body has bores, wherein the heat exchangers extend into the bores in the region of the joining points. This facilitates the attachment of the heat exchanger to the body.
  • a very high efficiency for exchanging heat results in a heat exchanger structure according to the invention, when the heat exchangers are mounted homogeneously distributed on the surface, the centers of the joining points of the heat exchanger, ie the central positions of the
  • the heat exchanger structure according to the invention has the following
  • the attachment of the heat exchanger with the particular flat body may be in some Au arrangementsformen the
  • invention by the following manufacturing processes: joining, e.g. Soldering, welding, gluing or pressing, or prototyping, e.g. Pour, sinter, or spray compact.
  • joining e.g. Soldering, welding, gluing or pressing
  • prototyping e.g. Pour, sinter, or spray compact.
  • the heat exchangers can by laser sintering on the
  • Both the heat exchangers and the body can also be created by laser sintering.
  • the heat exchangers are advantageously kept in a bundle. In particular, they can be attached to the surface at least substantially simultaneously. As bundle is called, if the too fixing heat exchanger with their longitudinal axes in
  • the heat exchangers are provided as strands of continuous material, in particular wire, wherein a number of strands are guided in parallel according to the number of heat exchangers and the heat exchangers as the free ends of the strands are cut off from the strands substantially simultaneously.
  • strands of the heat transfer medium can be guided or positioned during manufacture by at least one perforated flat body. The perforated flat bodies can then be pushed to a desired position and contacted with the heat exchangers.
  • a heat transfer structure according to the invention may e.g. such with at least one endless (profile) wire, e.g. a wire on one
  • Coil are produced.
  • the cutting to length after the contacting to the particular flat body may e.g. as follows: cutting by displacing two adjacent positioned capillary tubes, cannulas, hollow needles or tubes through which at least one of the endless (profiled) wires is passed or cutting through e.g. Cutting punches, knives and / or scissors or cutting by means of a laser.
  • the heat exchangers can be positioned or guided during production by the following components: capillary tubes, cannulas, hollow needle or tubes. Further leading or
  • Positioning members or methods of positioning may be: e.g. Round material - bulkhead, shadow mask,
  • the heat exchangers have a flow-optimized cross-section and / or are to be positioned in a special shape on the surface of the body, the heat exchangers can be formed by the leading or positioning components of a fiber of any cross-section, or be guided so that the orientation of a non-round fiber is defined.
  • the heat exchangers made of at least one endless (profile) wire can be created by knitting or knitting between two levels of solder wire.
  • parallel aligned wires are formed by e.g. Knitting with spaced nets arranged.
  • the structure height is well defined by the distance of the nets.
  • the wires are fixed by nets when inserted into the heat exchanger structure.
  • the clamped wire nets made of solder wire dissolve completely during soldering. The lot moves into the
  • a heat exchanger structure according to the invention may also be made with heat exchangers previously lengthened, i. the heat exchangers are already being used as
  • the bundle of heat exchangers can then be formed prior to attachment to the surface by cannula fill or bulk material.
  • the heat exchangers which have already been brought to length, can be used in the production of a heat exchanger structure according to the invention. with temperature-resistant and removable, eg removable, dissolvable and / or combustible,
  • Spacer pieces e.g. Aluminum wires, salt, lime or gypsum, are uniformly mixed or coated with these and then in a transversal to
  • cannulas In the manufacture of a heat exchanger structure according to the invention by means of capillary tubes, cannulas, hollow needle or tube, they may be positioned below each other as follows: with their longitudinal axis parallel to each other and perpendicular to the longitudinal axis of the heat exchangers, e.g. a clamped bed, or fitted into one
  • the heat exchanger structure according to the invention can be used in particular as a heat sink or as an evaporator and / or condenser in a chiller or heat pump or as a heat exchanger from a gas to a liquid or as a heat storage or as a support structure for catalytic or sorptive
  • At least one heating wire in particular made of copper, copper-nickel alloys, nickel-chromium alloys, Konstantan, manganin, nickel-iron alloys and / or Kanthai, is integrated into the heat exchanger structure according to the invention. If the heat exchanger structure according to the invention as a heat sink, in particular for
  • the heat exchanger structure according to the invention can also be used as a radiator or be part of a radiator.
  • Evaporator and / or condenser can be used
  • an embodiment of the heat exchanger structure with a surface treatment and / or attached to the free ends of the heat exchanger (pin ends) fabric used to create an undercut can also be used in the heat transfer to air or other gaseous media, in particular in recoolers, exhaust gas heat exchangers,
  • Convectors ventilation equipment, oil coolers, computers or power electronics, in heat transfer to water or other liquid media, in phase change (evaporation, condensation, solid / liquid) and / or chemical reactions, and in combination with sorbent materials or catalytic coatings, i. as a support structure for catalytic processes.
  • the heat exchanger structure according to the invention can thus e.g. in the building services industry, automotive industry, power plant technology and / or in industrial applications, in particular for transferring heat between a gas and a liquid or between two gases.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a heat exchanger structure and a photograph for fixing the executed as wire pins heat exchanger to the designed as a sheet body of the heat exchanger structure.
  • Fig. 2 shows a heat exchanger structure according to Figure 1, wherein a second metal sheet is soldered as another body to the wire pins without wire fixation.
  • Fig. 3 shows a further embodiment of a heat exchanger structure, wherein heat transfer (pins) are mounted on a rectangular plate.
  • Figures 4a and 4b show heat exchangers with undercuts in cross-section, e.g. may be performed in a use of a heat exchanger structure in an evaporator and / or condenser.
  • Fig. 5a and 5b show the arrangement of heat exchangers
  • Fig. 7a and 7b show the arrangement of heat exchangers
  • Solid material bed is formed.
  • Fig. 8 shows a section through the connection between
  • Heat exchanger and heat exchanger structure in a first embodiment.
  • Heat exchanger and heat exchanger structure in a second embodiment. 10 shows a section through a heat exchanger structure according to the invention with a plurality of fluid channels.
  • FIG. 1 a photograph of an embodiment of a heat exchanger structure 1 is shown on the right side and a photograph for attachment of the one on the left side
  • Wire pins so as a pin-shaped wire pieces, executed heat exchanger 3 shown on the executed as a sheet body 4 of the heat exchanger structure 1.
  • the heat exchanger 3 are substantially parallel with their longitudinal axes
  • the joining points 5 are formed by solder joints or a large solder joint.
  • 34 wire pins are attached to the sheet.
  • the wire pins have a wire diameter of 0.23 mm. They are spaced apart by a wire spacing of about 0.63 mm.
  • wire pins To attach the wire pins to the sheet, these are clamped in a cannula bed as a bundle 7 in a copper tube 8, which can be seen on the left photograph.
  • the bundle 7 of the wire pins is wrapped with a wire 9 to a defined distance of copper pipe 8 and flat body to
  • FIG. 3 shows an embodiment of a heat exchanger structure 1, heat exchangers 3, eg
  • pin-shaped wires i. Pins are mounted on a rectangular plate or a tube wall of a flat tube as a body 4. The pins are fastened homogeneously distributed on a surface of the sheet.
  • the heat exchanger structure 1 allows the direct, i. shortest path for heat flow from the body 4, e.g. a sheet or flat tube over which heat exchangers 3, e.g. Wires or heat pipes in the heat exchanger. 3
  • wire pins in the diameter range of 0.05 mm to 0.5 mm, with a wire pitch range of 0.1 mm to 3 mm are particularly beneficial to use. Be achieved with it
  • volume-specific surfaces up to 18138 square meters per cubic meter (m 2 / m 3 ) when configured wire diameter 0.05 mm and wire spacing 0.1 mm with staggered wire arrangement.
  • the biggest challenge here is the handling of the huge number of 34,500 wire pins in an area of 10 mm x 30 mm.
  • wire diameter 0.1 mm and wire spacing 0.35 mm and staggered wire arrangement this corresponds to 2822 wires on an area of 10 mm x 30 mm.
  • the volume-specific surface area is 2961 m 2 / m 3 .
  • the heat exchanger 3 are connected on one side to the body 4.
  • Undercuts 40 are generated by thickening 41, as shown in Figure 4a, or spreading 42, as in Figure 4b, at the free ends of the heat exchanger 3. At the free ends of the heat exchangers (pin ends), e.g. a fabric may be applied to achieve a geometric undercut 40.
  • the undercuts 40 are generated by thickening 41, as shown in Figure 4a, or spreading 42, as in Figure 4b, at the free ends of the heat exchanger 3.
  • a fabric may be applied to achieve a geometric undercut 40.
  • Figure 5a shows an offset wire arrangement of e.g. heat exchangers 3 designed as wire pins of a heat exchanger structure which can be used as a sorber.
  • the staggered arrangement results in a honeycomb base 52 with respect to each individual wire pin whose diameter is e.g. can be about 0.1 mm.
  • the coated wire pins are spaced apart.
  • heat exchangers e.g. Wire
  • sorbent forms a positive connection between sorbent and heat transfer 3, i.
  • the sorbent encloses the wire.
  • sorbent heat exchanger 3 Compared to coated flat surfaces have sealed with sorbent heat exchanger 3 a better connection. This can e.g. at different coefficients of thermal expansion of sorbent and support structure as well as in
  • Shock loads and / or vibrations may be advantageous.
  • Wire spacings and diameters can be flexibly adapted, thus optimizing the structure for various coatings, eg binder-based or direct crystallization.
  • a convex surface allows for a higher level compared to flat surfaces Coating carrier structure mass ratio with the same coating thickness.
  • Figure 5b also shows a staggered wire arrangement of a heat exchanger structure, e.g. for a latent heat storage.
  • a comparatively poorly heat-conducting memory material may be provided with a heat exchanger structure for increasing the
  • Heat exchanger 3 directly attaches forming wires, which may be in the form of endless wires or pieces of wire, in a bundle of wire pins to a sheet forming the body 4, i. be attached to its surface.
  • the representation may e.g. be an enlarged section of Figure 6b.
  • the wires are to their
  • FIG. 6b shows an apparatus for the direct connection of heat exchangers 3 to be formed from endless wires to a sheet metal or a flat tube as the body 4 of a heat exchanger structure.
  • the sheet or flat tube is provided by a sheet holding plate 60.
  • the rod-like heat transfer medium 3 provided as strands of a continuous material, that is to say a wire, are connected by wire clamps 68 in one
  • Wire guide plate 62 and are thus provided as a bundle.
  • For cutting the heat exchanger 3 of the endlessly available wires are two against each other
  • the cutting plates 63 also have Recesses 66 for a Drahtklemmung, so that after cutting to length free ends of the endless material for the
  • the heat exchangers 3 are thus considered to be strands of continuous material, i. Wire, wherein a number of strands are performed in parallel according to the number of heat exchangers and the heat exchangers are cut as the free ends of the strands of the strands substantially simultaneously.
  • the device used to fix the heat transferring means 3 to the surface of the sheet e.g. a soldering apparatus is not shown in the figure for clarity.
  • the endless wires can be used as individual wires each on a separate roll, i. according to the arrangement of many coils at e.g. a spinning machine
  • endless wires can also be present together on a roll.
  • many wires of wire spools can be brought together in the yarn industry and rewound onto a roll.
  • FIG. 6c likewise shows an apparatus for the direct connection of heat exchangers 3 formed from endless wires to a metal sheet, wherein in each case a perforated metal sheet 67, ie a metal sheet with bores in which the heat exchangers are fastened, is used.
  • the respective perforated plate 67 is held in a sheet-metal holding plate 60 as the body of the currently produced heat exchanger structure.
  • a wire guide plate 62 is supported on rail-like plate guides 64 to allow relative movement of the plate support plate 60 and the wire guide plate 62.
  • the wires, which are in the form of endless strands, are held in bundles by wire clamps 68 in the wire guide plate 62.
  • the wires are between Sheet metal plate 60 and wire guide plate 62 passed through a stack of perforated sheets 69.
  • Solid material bed is formed.
  • wire feed to provide the heat exchanger 3 different production variants are possible.
  • wire pins which already have the desired length, a handling of the wire pins corresponding to the brush fibers in the
  • Heat exchangers 3 which are embodied as wires are held within spacers 70 as spacers around a bundle of heat exchangers 3
  • the cannulas 70 are arranged with their longitudinal axes parallel to each other and at right angles to the
  • the heat exchanger 3 can be arranged with their longitudinal axes parallel to each other and clamped at right angles to the longitudinal axes in the bed.
  • FIG. 7b a full (round) material - bed shown as wire positioning / wire guide.
  • the dimensions as an example show that the distance and the diameter of the heat exchanger 3 in one
  • the full (round) materials 72 form spacers for the heat exchangers 3 in order to achieve a desired bundling spaced apart for their attachment to the body of the heat exchanger structure.
  • the required width of the heat exchanger structure can be produced at once, or the wire guide eg cannula guide has the required length. In other embodiments of the
  • the wire pins may also be inserted stepwise over the required width of the heat exchanger structure, i. the respectively introduced Drahtpinbündel
  • a wire guide is as short as the wire pins supply possible.
  • Wire guide with endless wire the maximum width can be calculated when a certain roll width, e.g. 1 m, is used and on the role of the required number of wires is present, each wire on the role claimed a certain width.
  • a certain roll width e.g. 1 m
  • FIG. 8 shows a section through the connection between heat exchanger and heat exchanger structure in a first embodiment. Shown is a body 4, which may for example be part of a tube of a heat exchanger structure or else part of a planar body, which are shown by way of example in Figure 2 or Figure 3.
  • the body 4 is provided with openings 46 which
  • an opening 4 may also be made by drilling.
  • a burr or supernatant can form, as can be seen in FIG.
  • solder foil 10 on the body 4.
  • the heat exchanger 3 penetrate the solder foil 10 and are provided with one end in the associated bore 46th
  • Cohesive connection between the body 4 and the heat exchanger 3 is formed. This can be the
  • FIG. 9 shows a section through the connection between heat exchanger and heat exchanger structure in a second embodiment.
  • the body 4 according to this embodiment is deformed before the introduction and joining of the heat exchanger 3. This can be done for example by an embossing tool, which impresses a plurality of depressions 45 in the surface of the body 4.
  • the recesses 45 may also be produced during prototyping or by reshaping the body 4.
  • the recesses 45 can be generated in that the body 4 facing the end of the heat exchanger 3 the
  • At least one heat exchanger 3 is introduced into each depression. This can advantageously take place in that a plurality of heat exchangers 3 are guided in a guide element which is one of the plurality of recesses 45
  • the production of the joint 3 for example by gluing, soldering or welding.
  • FIG. 10 shows a section through a heat exchanger structure according to the invention with a plurality of fluid channels.
  • the heat exchanger structure includes bodies 4 on which
  • Heat exchanger 3 are applied, as above
  • the bodies contain 4 depressions 45, which absorb the heat exchanger 3.
  • the bodies 4 themselves are hollow forms, so that a first fluid channel 81 forms inside the body 4, through which a first heat transfer medium can flow.
  • the body 4 consist of a flat basic shape, in which depressions 45 are embossed on both sides.
  • the recesses 45 may be arranged offset to each other, so that the recesses on the underside of a body 4 between the recesses on the top of the
  • Heat exchanger 3 spaced from each other to order.
  • the heat exchanger 3 thus assume the one hand, the function, the heat exchange between the flowing in the first fluid channels 81 and the second fluid channels 82
  • Heat exchanger also spacer elements, so that between adjacent surfaces of adjacent bodies 4 second fluid channels 82 can form.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmetauscherstruktur (1) mit einem Körper (4) und stiftförmigen, im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtete Längsachsen aufweisenden Wärmeüberträgern (3) zum Austausch von Wärme zwischen dem Körper (4) und insbesondere einem die Wärmeüberträger (3) umgebenden Fluidum, wobei die Wärmeüberträger (3) einen Endes über Fügepunkte (5) an einer Oberfläche (6) des Körpers (4) befestigt sind. Ferner ist der Körper (4) eine Hohlform, so dass im Inneren des Körpers (4) ein erster Fluidkanal (81) ausgebildet ist, durch welchen ein erstes Wärmeträgermedium strömen kann.

Description

Wärmetauscherstruktur und Verfahren zu deren Herstellung und
Verwendung
Die Erfindung betrifft eine Wärmetauscherstruktur mit einem Körper und stiftförmigen, im Wesentlichen parallel
zueinander ausgerichtete Längsachsen aufweisenden Wärmeüberträgern zum Austausch von Wärme zwischen dem Körper und einem die Wärmeüberträger umgebenden Fluidum, also einer Flüssigkeit oder einem Gas, wobei die Wärmeüberträger mit einem Ende über Fügepunkte an einer Oberfläche des Körpers befestigt sind. Weiter betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung einer derartigen Wärmetauscherstruktur und zu deren Verwendung .
Derartige Wärmetauscherstrukturen werden zum Beispiel als Kühlkörper elektronischer Bauteile, wie Computerprozessoren oder Leistungselektronikkomponenten eingesetzt. Häufig sind derartige Kühlkörper als Gussteile oder Schmiedeteile ausgeführt, was eine Mindestdicke bzw. einen Mindestquerschnitt der stiftförmigen Wärmeüberträger fertigungstechnisch bestimmt .
Die DE 69329548 T2 offenbart eine gattungsgemäße Wärmetauscherstruktur, bei der die Wärmeüberträger mittels eines Schmiedeverfahrens an dem Körper befestigt sind. Die Fügepunkte bilden beim Schmieden einen homogenen Material - Übergang aus, d.h. die Materialien des Körpers und der
Wärmeüberträger gehen direkt ineinander über. Beim Schmieden muss jedoch eine relativ große Kraft eingesetzt werden, um die Wärmeüberträger an dem Körper zu befestigen bzw. aus dem Grundkörper im Gesenk auszubilden. Diese Krafteinwirkung führt dazu, dass Verformungen des Körpers und der Wärmeüberträger auftreten, wenn deren Materialstärke zu gering gewählt ist.
Da die Effizienz der Übertragung von Wärme mittels einer Wärmetauscherstruktur mit der Oberfläche der Wärmetauscherstruktur zunimmt und die Oberfläche mit sinkender Material - stärke, insbesondere der Wärmeüberträger, vergrößert werden kann, ist die Leistungsfähigkeit der bekannten gattungsgemäßen Wärmetauscherstrukturen herstellungsbedingt, aufgrund der erforderlichen Mindestmaterialstärken, stark eingeschränkt .
Die US 2006/0 126 308 AI beschreibt eine Kühlvorrichtung zur Ableitung von Wärme, die eine elektronische Vorrichtung erzeugt, wobei Stifte an eine Oberfläche eines Trägers gebunden sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wärmetauscherstruktur und ein Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung bereitzustellen, die die Nachteile des Standes der Technik verringert, wobei ein erhöhter Wärmeübertrag zwischen dem Fluidum und dem Körper ermöglicht werden soll.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Herstellungsverfahren nach Anspruch 14 sowie die Verwendung gemäß Anspruch 20 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Eine erfindungsgemäße Wärmetauscherstruktur weist einen Körper und stiftförmige , im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtete Längsachsen aufweisende Wärmeüberträger zum Austausch von Wärme zwischen dem Körper und bevorzugt einem die Wärmeüberträger umgebenden Fluidum auf, wobei die Wärmeüberträger mit einem Ende über Fügepunkte an einer Ober- fläche des Körpers befestigt sind. Unter im Wesentlichen parallel wird verstanden, dass die Wärmeüberträger bei der Fertigung parallel zueinander ausgerichtet werden, wobei die parallele Ausrichtung im Rahmen üblicher Fertigungstoleranzen liegt. Die Wärmeüberträger werden bevorzugt zumindest bereichsweise von dem Fluidum wärmeübertragend durch- bzw. umströmt. Die Wärmetauscherstruktur enthält also mindestens zwei der Längsachse parallel zueinander angeordnete Wärmeüberträger, wobei mindestens eine Seite der Wärmeüberträger an einen insbesondere flachen Körper
kontaktiert ist.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung weisen die Wärmeüberträger eine maximale Querschnittsfläche auf, welcher kleiner als 0,25 mm2, oder kleiner als 0,1 mm2 oder kleiner als 0,01 mm2 ist. Dies kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung erreicht werden, indem der Querschnitt eine Breite bzw. Länge von weniger als 0,5 Millimeter, insbesondere kleiner 0,3 Millimeter, aufweist. Länge bzw. Breite des Querschnitts bezeichnen im Falle von runden Querschnitten den Durchmesser, im Falle abweichender Geometrien den
Umkreis bzw. die größten Außenabmessungen des Querschnitts eines einzelnen Wärmeüberträgers Durch die erfindungsgemäßen geringen Querschnittsdimensionen wird eine enge Packung der Wärmeüberträger ermöglicht. Es können so viele Wärmeüberträger auf einer kleinen Oberfläche des Körpers
nebeneinander befestigt werden. Dadurch wird eine sehr große Kontaktoberfläche der Wärmetauscherstruktur mit dem Fluidum ermöglicht, was zu einem großen Wärmeübertrag zwischen
Fluidum und Körper führt. Die Wärmeüberträger können z.B. aus Fasern oder Garnen oder Draht bestehen. Weiter kann auch an den anderen Enden der Wärmeüberträger ein weiterer insbesondere flacher Körper in gleicher Weise befestigt sein. Durch die Wärmeüberträger wird eine Oberflächenvergrößerung an der fluidumseitigen, z.B. gasseitigen,
insbesondere luftseitigen, Oberfläche der Wärmetauscherstruktur erreicht . Der zumindest eine Körper ist eine Hohlform, so dass sich im Inneren des Körpers ein erster Fluidkanal ausbildet, durch welchen ein erstes Wärmeträgermedium strömen kann. Der
Querschnitt durch eine solche Hohlform kann polygonal oder rund sein, beispielsweise in Form eines Flachrohres oder eines Rundrohres oder auch eine Freiformfläche bilden.
Dadurch bildet sich im Körper zumindest ein Fluidkanal. Die Wärmeüberträger können auf der Innen- und/oder auf der
Außenseite des Körpers angeordnet sein, um so die
Wärmeübertragung auf das erste Wärmeträgermedium und/oder auf das den Körper umströmende Fluid zu verbessern.
In einigen Ausführungsformen können die Wärmeüberträger auf einer Grundplatte angeordnet werden, welche wiederum auf der Außenseite einer Rohrwandung gefügt wird. Das Fügen kann stoffschlüssig erfolgen. Die Wandung des fertigen Körpers ist dann zwei- oder mehrschichtig ausgeführt.
In einigen Ausführungsformen kann der Körper eine flächige Grundform aufweisen, in welche beiderseits Vertiefungen eingeprägt sein können. Die Vertiefungen können zueinander versetzt angeordnet sein, so dass die Vertiefungen auf der Unterseite eines Körpers zwischen den Vertiefungen auf der Oberseite des entsprechenden Körpers zu liegen kommen.
Hierdurch ist es möglich, eine Mehrzahl von Körpern durch Wärmeüberträger beabstandet voneinander anzuordnen. Die Wärmeüberträger übernehmen somit einerseits die Funktion, den Wärmeaustausch zwischen den in den ersten Fluidkanälen und zweiten Fluidkanälen strömenden Wärmeträgermedien zu erhöhen. Daneben bilden die Wärmeüberträger auch
Abstandselemente, so dass sich zwischen benachbarten
Oberflächen von benachbarten Körpern diese zweiten
Fluidkanäle ausbilden können.
Die Fügepunkte können dazu einen inhomogenen Materialübergang der Wärmeüberträger zu dem Körper ausbilden. Als inhomogene Materialübergänge werden Materialübergänge bezeich- net, bei denen das Material der Wärmeüberträger und des Körpers nicht direkt ineinander übergehen. Es besteht z.B. ein Zwischenmaterial, das die Wärmeüberträger z.B. mit dem Körper verklebt oder verlötet. Fügetechniken, die zum Ausbilden von derartigen Fügepunkten führen, kommen ohne oder fast ohne die Notwendigkeit einer Kraftübertragung auf den Körper und/oder die Wärmeüberträger aus. Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei erfindungsgemäß geringen Querschnitten der Wärmeüberträger auch inhomogene Materialübergänge zu einer erhöhten Effizienz der Wärmetauscherstruktur führen können, obwohl inhomogene Material - Übergänge die Wärmeleitung zwischen den Wärmeüberträgern und dem Körper verringern können. Dieser Effekt tritt bei maximalen Querschnittsbreiten von Wärmeüberträgern zwischen 0,01 Millimeter bis 3 Millimeter, bevorzugt von 0,05
Millimeter bis 0,5 Millimeter auf.
Der Körper einer erfindungsgemäßen Wärmetauscherstruktur kann eine Rohrwand mit einer Materialstärke in einem
Dickenbereich zwischen etwa 0,005 mm bis etwa 0,1 mm oder etwa 0,1 mm bis etwa 1,0 mm oder etwa 1,0 mm bis etwa 10 mm ausgebildet sein. Ein derartiger flacher Körper kann einen dünnen Quader, z.B. aus Blech oder einer Folie, einer
Platte, einer flachen Heat-Pipe, oder einer Scheibe, ausbilden. Die Rohrwand kann von einem mit einem Fluid durchströmbaren rechteckförmigen Gebilde, wie z.B. einem Flachrohr, ausgebildet sein.
Der Körper und/oder die Wärmeüberträger können z.B. aus metallischen Materialien und/oder deren Legierungen, insbesondere Kupfer, Aluminium oder Edelstahl und/oder aus kohlenstoffhaltigen Materialien, insbesondere Kohlefasern, Aktivkohlefasern und/oder Glas- oder Keramik und/oder aus Polymermaterialien, insbesondere Polypropylen (PP) , Polyethylen (PE) , Polyamid (PA) , Polyetherketone (PEK) , Polyester (PET) und/oder aus Verbundstoffen daraus gefertigt sein. Weiter können der Körper und/oder die Wärmeüberträger als Heat-Pipe, z.B. hergestellt aus Kanülen, ausgeführt sein. Vorteilhaft sind der Körper und/oder die Wärmeüberträger aus Metall gefertigt. Die Fügepunkte können dabei Lötstellen oder Sinterpunkte, d.h. Stellen, die durch
Sintern miteinander fest verbunden sind, ausbilden. Die Lötstellen können durch Hart- oder Weichlöten erzeugt sein.
Insbesondere bei einem Einsatz einer erfindungsgemäßen
Wärmetauscherstruktur in einem strömenden Fluidum können die Wärmeüberträger eine Oberflächenstrukturierung zur
Strömungsoptimierung und/oder Wärmeübertragungsoptimierung aufweisen. Weiter können die Wärmeüberträger einen
strömungswiderstandoptimierenden Querschnitt aufweisen. Die Querschnittsform der Wärmeüberträger kann z.B. rund, d.h. kreisförmig sein. Vorteilhaft weisen die Wärmeüberträger Wärmeübergangs- und/oder strömungsoptimierte Querschnitte auf. Die Wärmeüberträger können dabei z.B. aus Profildraht mit einer strömungsgünstigen Querschnittsform, z.B. Tunfisch- , Delphin-, Pinguin- förmig oder einem Ellipsenquerschnitt gebildet werden. Dies führt zu geringem Druckverlust bei gleichzeitig hohem Wärmeübergangskoeffizient in durchströmten Wärmetauscherstrukturen und somit geringer
Dissipation in der Strömung.
Die Wärmeüberträger können unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen, welche ausgewählt sein können aus Kreis, Ellipse, Polygon, Dreieck, Tropfenform, einer Thunfisch-, Delphin-, oder Pinguinform. Die Wärmeüberträger können unterschiedliche Dimensionen, d.h. z.B. unterschiedliche Drahtabmessungen in Querschnitt und Länge, aufweisen. Die Oberflächenstrukturierung der Wärmeüberträger zur
Strömungsoptimierung kann auch eine Mikrostrukturierung, wie z.B. Haihautstruktur, aufweisen. Derartige Mikrostrukturierung sowie bestimmte Drahtanordnungen und Draht- dimensionen, d.h. unterschiedliche Draht-Abmessungen und - Abstände, sind für eine Optimierung des Wärmeübergangs bei gleichzeitig geringem Druckverlust geeignet. Derart ergibt sich für die Wärmetauscherstruktur bei gleicher Leistung ein geringeres Gewicht sowie ein kleineres Bauvolumen und somit eine höhere Massen- und Volumeneffizienz.
In einer Ausführungsform können die Wärmeüberträger in ein Sorbens eingebettet, insbesondere damit beschichtet sein. Bei einem Sorbens handelt es sich um ein meist poröses Material, das zu einer Absorbtion oder Adsorption, d.h.
einer Aufnahme und Wiederabgabe, von einer Menge des die Wärmeüberträger umgebenden, insbesondere umströmenden
Fluidums geeignet ist. Alternativ oder zusätzlich können auch Latentwärmespeicher und/oder katalytisch wirkende Materialien verwendet werden. Es wird derart eine kompakte Wärmetauscherstruktur bereitgestellt, welche als Sorber und/oder Wärmespeicher und damit als Teil einer Klimamaschine verwendbar ist.
Ebenfalls vorteilhaft, insbesondere für eine Verwendung in einem Verdampfer, Kondensator oder einem Sorber, können die Wärmeüberträger Hinterschneidungen aufweisen. Dadurch kann das Verdampfen und/oder die Speicherung des Fluidums verbessert sein.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmetauscherstruktur weist der Körper Bohrungen auf, wobei die Wärmeüberträger im Bereich der Fügepunkte in die Bohrungen hineinreichen. Dies erleichtert die Befestigung der Wärmeüberträger an dem Körper.
Eine sehr hohe Effizienz zum Austauschen von Wärme ergibt sich bei einer erfindungsgemäßen Wärmetauscherstruktur, wenn die Wärmeüberträger auf der Oberfläche homogen verteilt befestigt sind, wobei die Mittelpunkte der Fügepunkte der Wärmeüberträger, also die zentralen Positionen der
Längsachsen der Wärmeüberträger, 0,01 Millimeter bis 20 Millimeter, insbesondere 0,04 Millimeter bis 10 Millimeter, insbesondere 0,1 Millimeter bis 4 Millimeter, voneinander beabstandet sind oder wenn die Wärmeüberträger auf der
Oberfläche inhomogen verteilt befestigt sind, wobei die Mittelpunkte der Fügepunkte der Wärmeüberträger 0,01
Millimeter bis 50 Millimeter, insbesondere 0,04 Millimeter bis 25 Millimeter, insbesondere 0,1 Millimeter bis 10
Millimeter, voneinander beabstandet sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer
erfindungsgemäßen Wärmetauscherstruktur weist folgende
Verfahrensschritte auf:
Bereitstellen eines Körpers, insbesondere aus einem
Flachmaterial, Bereitstellen von stiftförmigen Wärmeüberträgern mit einer Querschnittsfläche von weniger als
0,25 mm2, oder weniger als 0,1 mm2 oder weniger als 0,01 mm2, Befestigen jeweils einen Endes der Wärmeüberträger an einer Oberfläche des Körpers über Fügepunkte, wobei die Längsachsen der Wärmeüberträger im Wesentlichen parallel
zueinander ausgerichtet sind.
Das Befestigen der Wärmeüberträger mit dem insbesondere flachen Körper kann in einigen Auführungsformen der
Erfindung durch die folgenden Fertigungsverfahren erfolgen: Fügen, z.B. Löten, Schweißen, Kleben oder Einpressen, oder Urformen, z.B. Gießen, Sintern, oder Sprühkompaktieren . Die Wärmeüberträger können durch Lasersintern auf den
insbesondere flachen Körper aufgebracht werden. Sowohl die Wärmeüberträger als auch der Körper können ebenfalls durch Lasersintern erstellt werden. Die Direktanbindung vieler Drähte als Wärmeüberträger an ein Blech oder an ein
Flachrohr als Körper wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens effizient ermöglicht. Das Handling einer großen Drahtanzahl ist dabei leicht umsetzbar.
Die Wärmeüberträger werden vorteilhaft in einem Bündel bereitgehalten. Insbesondere derart können diese zumindest im Wesentlichen gleichzeitig an der Oberfläche befestigt werden können. Als Bündel wird bezeichnet, wenn die zu befestigenden Wärmeüberträger mit ihren Längsachsen im
Wesentlichen parallel nebeneinander bereit gehalten werden. Dabei müssen diese sich nicht zwangsläufig berühren. Sie können auch mittels z.B. Abstandshalter beabstandet
nebeneinander gehalten oder geführt werden. Es muss also keine dichte Packung der Wärmeüberträger vorliegen.
Erfindungsgemäß werden die Wärmeüberträger als Stränge von Endlosmaterial, insbesondere Draht, bereitgestellt, wobei eine Anzahl von Strängen entsprechend der Anzahl der Wärmeüberträger parallel geführt werden und die Wärmeüberträger als die freien Enden der Stränge im Wesentlichen gleichzeitig von den Strängen abgeschnitten (Ablängen) werden. Dabei können Stränge der Wärmeüberträger bei der Herstellung durch mindestens einen perforierten flachen Körper geführt bzw. positioniert werden. Die perforierten flachen Körper lassen sich dann auf eine gewünschte Position schieben und mit den Wärmeüberträgern kontaktieren. Eine erfindungsgemäße Wärmeüberträgerstruktur kann z.B. derart mit mindestens einem Endlos (Profil -) Draht , z.B. einem Draht auf einer
Spule, hergestellt werden.
Wenn die Wärmeüberträger aus mindestens einem Endlos (Profil- ) Draht, z.B einem Draht auf einer Spule, hergestellt werden, kann das Ablängen nach dem Kontaktieren an den insbesondere flachen Körper z.B. wie folgt erfolgen: Schneiden durch Verschieben von zwei aneinander liegenden positionierten Kapillarrohren, Kanülen, Hohlnadeln oder Röhrchen, durch die mindestens einer der Endlos (Profil- ) Drähte geführt wird oder Schneiden durch z.B. Schneidstempel, Messer und/oder Schere oder Schneiden mittels eines Lasers. Die Wärmeüberträger können dazu bei der Herstellung durch folgende Bauteile positioniert bzw. geführt werden: Kapillarrohre, Kanülen, Hohlnadel oder Röhrchen. Weitere führende bzw.
positionierende Bauteile oder Verfahren zur Positionierung können sein: z.B. Rundmaterial -Schüttung, Lochmaske,
perforierte Maske, Lochmatrize/perforierte Platte, Draht- führungsdüse , z.B. wie beim Schweißen oder Draht-Bonden, Kamm, Webblatt und/oder Siebgewebe. Wenn die Wärmeüberträger einen strömungsoptimierten Querschnitt aufweisen und/oder in einer speziellen Form auf der Oberfläche des Körpers zu positionieren sind, können die Wärmeüberträger dabei durch die führenden bzw. positionierenden Bauteile aus einer Faser mit beliebigem Querschnitt umgeformt werden, bzw. so geführt werden, dass die Ausrichtung einer nicht runden Faser definiert ist.
Die aus mindestens einem Endlos (Profil- ) Draht gefertigten Wärmeüberträger können durch Stricken oder Wirken zwischen zwei Lotdrahtebenen erstellt werden. Dabei werden parallel ausgerichtete Drähte durch z.B. Stricken mit im Abstand gehaltenen Netzen angeordnet. Die Strukturhöhe ist durch den Abstand der Netze gut definierbar. Die Drähte werden durch Netze beim Einlegen in die Wärmetauscherstruktur fixiert. Die aufgespannten Drahtnetze aus Lotdraht lösen sich beim Verlöten komplett auf. Das Lot zieht sich in den
Umlenkungszwickel des Drahtes.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die
Oberfläche des zu Körpers mit einer Lotfolie versehen werden, ehe die Wärmeüberträger aufgebracht werden, wobei die Lotfolie nachfolgend durch Erwärmung aufgeschmolzen wird und die Wärmeüberträger fügt .
Eine erfindungsgemäße Wärmetauscherstruktur kann auch mit zuvor auf Länge gebrachten Wärmeüberträgern hergestellt werden, d.h. die Wärmeüberträger werden bereits als
stiftförmige Teile in gewünschter Länge bereitgehalten.
Insbesondere das Bündel der Wärmeüberträger kann dann vor der Befestigung an der Oberfläche durch Kanülenschüttung oder Vollmaterialschüttung gebildet werden.
Die bereits auf Länge gebrachten Wärmeüberträger können bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Wärmetauscherstruk- tur mit temperaturbeständigen und wieder entfernbaren, z.B. herausziehbaren, auflösbaren und/oder verbrennbaren,
Abstandshalter-Stücken, z.B. Aluminiumdrähten, Salz, Kalk oder Gips, gleichmäßig durchmischt werden oder mit diesen beschichtet werden und danach in einer transversal zur
Längsachse der Wärmeüberträger angebrachten Umfassung, seitlich zur Längsachse geklemmt werden. Die Abstandshalter werden dann nach dem Befestigen der Wärmeüberträger an der Oberfläche des Körpers wieder entfernt.
Bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Wärmetauscherstruktur mit Hilfe von Kapillarrohren, Kanülen, Hohlnadel oder Röhrchen können diese unter sich wie folgt positioniert sein: mit deren Längsachse parallel zueinander angeordnet und rechtwinklig zur Längsachse der Wärmeüberträger, z.B. einer geklemmten Schüttung, oder eingepasst in eine
Lochmatrize oder perforierte Platte.
Die erfindungsgemäße Wärmetauscherstruktur kann insbesondere als Kühlkörper oder als Verdampfer und/oder Kondensator in einer Kältemaschine oder Wärmepumpe oder als Wärmetauscher von einem Gas auf eine Flüssigkeit oder als Wärmespeicher oder als Trägerstruktur für katalytische oder sorptive
Prozesse verwendet werden. Bei einigen Anwendungen kann es vorteilhaft sein, wenn in die erfindungsgemäße Wärmetauscherstruktur mindestens ein Heizdraht, insbesondere aus Kupfer, Kupfer-Nickel -Legierungen, Nickelchrom-Legierungen, Konstantan, Manganin, Nickel -Eisen-Legierungen und/oder Kanthai, integriert ist. Wenn die erfindungsgemäße Wärmetauscherstruktur als Kühlkörper, insbesondere für
Computerbauteile (freie und erzwungene Konvektion / passiv und aktiv) , elektronische Bauteile (Leistungselektronik, Computer), mechanische Bauteile (z.B. Stirlingmotor) oder chemische Anwendungen verwendet wird, ist der Körper der Wärmetauscherstruktur mit dem entsprechenden Bauteil in gut wärmeleitender Weise verbunden, so dass Wärme von dem Bauteil über den Körper und die Wärmeüberträger an das Fluidum abgegeben werden kann.
Die erfindungsgemäße Wärmetauscherstruktur kann auch als Radiator verwendet werden bzw. Teil eines Radiators sein.
Wenn die erfindungsgemäße Wärmetauscherstruktur als
Verdampfer und/oder Kondensator verwendet wird, kann
insbesondere eine Ausführungsform der Wärmetauscherstruktur mit einer Oberflächenbehandlung und/oder einem an den freien Enden der Wärmeüberträger (Pin-Enden) angebrachten Gewebe zum Erzeugen einer Hinterschneidung eingesetzt werden. Die erfindungsgemäße Wärmetauscherstruktur kann auch in der Wärmeübertragung an Luft oder andere gasförmige Medien, insbesondere in Rückkühlern, Abgaswärmetauschern,
Konvektoren, Lüftungsgeräten, Ölkühlern, Computern oder Leistungselektronik, in der Wärmeübertragung an Wasser oder andere flüssige Medien, in Anwendungen mit Phasenwechsel (Verdampfung, Kondensation, fest/flüssig) und/oder chemischen Reaktionen sowie in Kombination mit Sorptionsmaterialien oder katalytischen Beschichtungen, d.h. als Trägerstruktur für katalytische Prozesse, verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Wärmetauscherstruktur kann also z.B. in der Haustechnik, Automobilindustrie, der Kraftwerkstechnik und/oder in industriellen Anwendungen verwendet werden, insbesondere zum Übertragen von Wärme zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit oder zwischen zwei Gasen.
Besondere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsform einer Wärmetauscherstruktur und eine Fotografie zur Befestigung der als Drahtpins ausgeführten Wärmeüberträger an dem als Blech ausgeführten Körper der Wärmetauscherstruktur. Fig. 2 zeigt eine Wärmetauscherstruktur gemäß Figur 1, wobei ein zweites Blech als weiterer Körper an die Drahtpins ohne Drahtfixierung angelötet ist.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Wärmetauscherstruktur, wobei Wärmeüberträger (Pins) auf einem rechteckigen Blech befestigt sind.
Fig. 4a und 4b zeigen Wärmeüberträger mit Hinterschneidungen im Querschnitt, wie sie z.B. bei einer Verwendung einer Wärmetauscherstruktur in einem Verdampfer und/oder Kondensator ausgeführt sein können.
Fig. 5a und 5b zeigen die Anordnung von Wärmeüberträgern
einer Wärmetauscherstruktur im Falle einer Einbettung bzw. Beschichtung mit einem Sorbens oder
Wärmespeichermaterial .
Fig. 6a bis 6c zeigen Illustrationen zu dem
erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren einer Wärmetauscherstruktur .
Fig. 7a und 7b zeigen die Anordnung von Wärmeüberträgern
einer Wärmetauscherstruktur bei deren Herstellung unter Verwendung eines Verfahrens, bei dem ein Bündel der Wärmeüberträger durch Kanülenschüttung oder
Vollmaterialschüttung gebildet wird.
Fig. 8 zeigt einen Schnitt durch die Verbindung zwischen
Wärmeüberträger und Wärmetauscherstruktur in einer ersten Ausführungsform.
9 zeigt einen Schnitt durch die Verbindung zwischen
Wärmeüberträger und Wärmetauscherstruktur in einer zweiten Ausführungsform . Fig. 10 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Wärmetauscherstruktur mit mehreren Fluidkanälen .
In Figur 1 ist auf der rechten Seite eine Fotografie einer Ausführungsform einer Wärmetauscherstruktur 1 und auf der linken Seite eine Fotografie zur Befestigung der als
Drahtpins, also als stiftförmige Drahtstücke, ausgeführten Wärmeüberträger 3 an dem als Blech ausgeführten Körper 4 der Wärmetauscherstruktur 1 dargestellt. Die Wärmeüberträger 3 sind mit ihren Längsachsen im Wesentlichen parallel
zueinander ausgerichtet und über Fügepunkte 5 einen Endes an einer Oberfläche 6 des Blechs befestigt, d.h. mit dem flachen Körper 4 kontaktiert. Die Fügepunkte 6 werden von Lötstellen bzw. einer großen Lötstelle ausgebildet. Im dargestellten Beispiel sind 34 Drahtpins an dem Blech befestigt. Die Drahtpins weisen einen Drahtdurchmesser von 0,23 mm auf. Sie sind mit einem Drahtabstand von ca. 0,63 mm voneinander beabstandet .
Zur Befestigung der Drahtpins an dem Blech sind diese in einer Kanülen-Schüttung als Bündel 7 in einem Kupferrohr 8 eingeklemmt, was auf der linken Fotografie erkennbar ist. Zum einseitigen Anlöten an dem Blech ist das Bündel 7 der Drahtpins mit einem Draht 9 umwickelt, um einen definierten Abstand von Kupferrohr 8 und flachen Körper zu
gewährleisten. Es wird also eine Direktanbindung vieler Wärmeüberträger 3 an das Blech oder z.B. an ein Flachrohr (nicht dargestellt) vorgenommen, um effiziente, insbesondere Volumen-, Massen- und energetisch effiziente, Wärmetauscherstrukturen für unterschiedliche Anwendungsgebiete zu
fertigen .
In Figur 2 ist eine Wärmetauscherstruktur 1 gemäß der in Figur 1 gezeigten Wärmetauscherstruktur 1 dargestellt, wobei jedoch ein zweites Blech 21 als weiterer Körper an die
Wärmeüberträger 3 ausbildenden Drahtpins angelötet ist, wozu keine Drahtfixierung notwendig ist. In Figur 3 ist eine Ausführungsform einer Wärmetauscherstruktur 1 dargestellt, wobei Wärmeüberträger 3, z.B.
stiftförmige Drähte, d.h. Pins, auf einem rechteckigen Blech bzw. einer Rohrwand eines Flachrohres als Körper 4 befestigt sind. Die Pins sind homogen auf einer Oberfläche des Blechs verteilt befestigt.
Die Wärmetauscherstruktur 1 ermöglicht den direkten, d.h. kürzesten Weg für einen Wärmestrom von dem Körper 4, z.B. einem Blech oder Flachrohr, über die Wärmeüberträger 3, z.B. Drähte oder Heat-Pipes in das die Wärmeüberträger 3
umgebende Fluidum. Somit ergibt sich ein geringer
Materialeinsatz und damit geringes Gewicht der Wärmetauscherstruktur 1. Bei Verwendung von Micro-Heatpipes als Wärmeüberträger 3 ergibt sich eine hohe Wärmeleitung und ein hoher Wärmedurchgang, wodurch ein großer Flachrohrabstand und somit geringes Flachrohrgewicht möglich ist.
Für Wärmetauscherstrukturen 1, z.B. wie dargestellt, sind Drahtpins im Durchmesserbereich von 0,05 mm bis 0,5 mm, bei einem Drahtabstandsbereich von 0,1 mm bis 3 mm besonders günstig einzusetzen. Erreicht werden damit
volumenspezifische Oberflächen bis 18138 Quadratmeter pro Kubikmeter (m2/m3) bei der Konfiguration Drahtdurchmesser 0,05 mm und Drahtabstand 0,1 mm bei versetzter Drahtanordnung. Die größte Herausforderung hierbei ist das Handling der enorm großen Anzahl von 34500 Drahtpins auf einer Fläche von 10 mm x 30 mm. Bei einer Konfiguration Drahtdurchmesser 0,1 mm und Drahtabstand 0,35 mm und versetzter Drahtanordnung entspricht das 2822 Drähte auf einer Fläche von 10 mm x 30 mm. Die volumenspezifische Oberfläche beträgt hierbei 2961 m2/m3.
In den Figuren 4 ist jeweils eine Wärmetauscherstruktur 1 mit Wärmeüberträgern 3 mit Hinterschneidungen 40 im
Querschnitt dargestellt, wie sie z.B. bei einer Verwendung einer ßen Wärmetauscherstruktur in einem Verdampfer und/oder Kondensator ausgeführt sein können. Die Wärmeüberträger 3 sind einseitig an den Körper 4 angebunden. Die
Hinterschneidungen 40 werden durch Verdickungen 41, wie in Figur 4a, oder Aufspreizungen 42, wie in Figur 4b, an den freien Enden der Wärmeüberträger 3 erzeugt . An den freien Enden der Wärmeüberträger (Pin-Enden) kann dazu z.B. ein Gewebe angebracht sein, um eine geometrische Hinter- schneidung 40 zu erzielen. Die Hinterschneidungen 40
steigern die Verdampferleistung und die Arbeitsmittelaufnahme bei Verwendung der Wärmetauscherstruktur 1 in einem Kondensator .
In den Figuren 5 ist jeweils die Anordnung von homogen verteilten Wärmeüberträgern 3 bei einer Wärmetauscherstruktur im Falle einer Einbettung bzw. Beschichtung 50 mit einem Sorbens dargestellt.
Figur 5a zeigt eine versetzte Drahtanordnung von z.B. als Drahtpins ausgeführten Wärmeüberträgern 3 einer als Sorber verwendbaren Wärmetauscherstruktur. Durch die versetzte Anordnung ergibt sich eine wabenförmige Grundfläche 52 bezogen auf jeden einzelnen Drahtpin, deren Durchmesser z.B. ca. 0,1 mm betragen kann. Die beschichteten Drahtpins sind voneinander beabstandet angeordnet . Bei der Beschichtung von Wärmeüberträgern, z.B. Draht, mit Sorbens bildet sich eine formschlüssige Verbindung zwischen Sorbens und Wärmeüberträgern 3, d.h. das Sorbens umschließt den Draht. Im Vergleich zu beschichteten ebenen Flächen besitzen mit Sorbens umschlossene Wärmeüberträger 3 eine bessere Verbindung. Dies kann z.B. bei unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Sorbens und Trägerstruktur sowie bei
Stoßbelastungen und/oder Vibrationen vorteilhaft sein.
Drahtabstände sowie -durchmesser sind flexibel anpassbar, dadurch ist eine Optimierung der Struktur für verschiedene Beschichtungen, z.B. binderbasiert oder Direktauf- kristallisation möglich. Eine konvexe Oberfläche ermöglicht im Vergleich zu ebenen Oberflächen ein höheres Beschichtungs-Trägerstruktur-Massenverhältnis bei gleicher Beschichtungsstärke .
Figur 5b zeigt ebenfalls eine versetzte Drahtanordnung einer Wärmetauscherstruktur, z.B. für einen Latentwärmespeicher. Ein vergleichsweise schlecht wärmeleitendes Speichermaterial kann mit einer Wärmetauscherstruktur zur Erhöhung des
Wärmedurchgangs durchsetzt sein. Die Anordnung entspricht derjenigen aus Figur 5a, wobei jedoch die Beschichtung 50 mit einem Speichermaterial so dick ist, dass benachbarte Beschichtungen 50 von z.B. als Drahtpins ausgeführten Wärmeüberträgern 3 sich berühren können.
In den Figuren 6 sind Illustrationen zu dem
erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren einer Wärmetauscherstruktur dargestellt. In Figur 6a ist gezeigt, wie Wärmeüberträger 3 ausbildende Drähte, die als Endlosdrähte oder Drahtstücke vorliegen können, in einem Bündel von Drahtpins an einem den Körper 4 ausbildenden Blech direkt angebunden, d.h. auf dessen Oberfläche befestigt werden. Die Darstellung kann z.B. ein vergrößerter Ausschnitt aus Figur 6b sein. Um das Bündel auszubilden, sind die Drähte zu deren
Positionierung durch Drahtführungen 60 in einer Halteplatte 61 geführt.
Figur 6b zeigt eine Apparatur zur Direktanbindung von aus Endlosdrähten auszubildenden Wärmeüberträgern 3 an ein Blech oder ein Flachrohr als Körper 4 einer Wärmetauscherstruktur. Das Blech oder Flachrohr wird von einer Blechhalteplatte 60 bereitgestellt. Die als Stränge eines Endlosmaterials, also eines Drahtes, bereitgestellten stiftförmigen Wärmeüberträger 3 sind durch Drahtklemmen 68 in einer
Drahtführungsplatte 62 geführt und werden derart als Bündel bereitgestellt. Zum Ablängen der Wärmeüberträger 3 von den endlos vorliegenden Drähten sind zwei gegeneinander
verschiebbare Schneidplatten 63 auf einer Plattenführung 64 schienenartig geführt. Die Schneidplatten 63 weisen ferner Aussparungen 66 für eine Drahtklemmung auf, damit die nach dem Ablängen freien Enden des Endlosmaterials für die
Fertigung der nächsten Wärmetauscherstruktur festgehalten werden können. Die Bewegung zum Abschneiden ist in der Figur durch einen Doppelpfeil dargestellt. Die Wärmeüberträger 3 werden also als Stränge von Endlosmaterial, d.h. Draht, bereitgestellt, wobei eine Anzahl von Strängen entsprechend der Anzahl der Wärmeüberträger parallel geführt werden und die Wärmeüberträger als die freien Enden der Stränge im Wesentlichen gleichzeitig von den Strängen abgeschnitten werden. Die zur Befestigung der Wärmeüberträger 3 an der Oberfläche des Blechs verwendete Vorrichtung, z.B. eine Lötapparatur, ist in der Figur der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Die Endlosdrähte können als Einzeldrähte jeweils auf einer separaten Rolle, d.h. entsprechend der Anordnung vieler Spulen bei z.B. einer Spinnmaschine
bereitgehalten werden, wobei die Drähte ebenfalls
entsprechend der Fasern bei einer Spinnmaschine
zusammengeführt werden können um sie entsprechend Figur 6b als Bündel bereit zu halten. Weiter können, die Endlosdrähte auch zusammen auf einer Rolle vorliegen. Dazu können in der Garnindustrie bekannter Weise viele Drähte von Drahtspulen zusammengeführt und auf eine Rolle umgespult werden.
Figur 6c zeigt ebenfalls eine Apparatur zur Direktanbindung von aus Endlosdrähten gebildeten Wärmeüberträgern 3 an ein Blech, wobei jeweils ein perforiertes Blech 67, d.h. ein Blech mit Bohrungen, in denen die Wärmeüberträger befestigt werden, eingesetzt wird. Das jeweilige perforierte Blech 67 wird als Körper der aktuell herzustellenden Wärmetauscherstruktur in einer Blechhalteplatte 60 bereitgehalten. Eine Drahtführungsplatte 62 ist auf schienenartigen Plattenführungen 64 gelagert, um eine relative Beweglichkeit der Blechhalteplatte 60 und der Drahtführungsplatte 62 zu ermöglichen. Die als endlose Stränge vorliegenden Drähte werden durch Drahtklemmen 68 in der Drahtführungsplatte 62 als Bündel gehalten. Die Drähte sind zwischen Blechhalteplatte 60 und Drahtführungsplatte 62 durch einen Stapel aus perforierten Blechen 69 geführt.
In den Figuren 7 ist die Anordnung von Wärmeüberträgern 3 einer Wärmetauscherstruktur dargestellt, bei deren
Herstellung ein Verfahren verwendet wird, bei dem ein Bündel der Wärmeüberträger 3 durch Kanülenschüttung oder
Vollmaterialschüttung gebildet wird. Für die Drahtzufuhr zum Bereitstellen der Wärmeüberträger 3 sind unterschiedliche Fertigungsvarianten möglich. Im Falle von Drahtpins, die bereits die gewünschte Länge aufweisen, kann eine Handhabung der Drahtpins entsprechend der Pinselfasern bei der
Pinselherstellung erfolgen. Zur Drahtpositionierung kann eine Kanülen-Schüttung, wie in Figur 7a schematisch
dargestellt, als Drahtpositionierung/Drahtführung eingesetzt werden. Die z.B. als Drähte ausgeführten Wärmeüberträger 3 sind dabei innerhalb von Kanülen 70 als Abstandshalter vorgehalten, um ein Bündel von Wärmeüberträgern 3
bereitzuhalten. Die Kanülen 70 sind mit ihren Längsachsen parallel zueinander angeordnet und rechtwinklig zu den
Längsachsen untereinander geklemmt oder in eine Lochmatrize eingepasst. Dadurch können die Wärmeüberträger 3 mit deren Längsachsen parallel zueinander angeordnet und rechtwinklig zu den Längsachsen in der Schüttung geklemmt werden.
Alternativ dazu ist in Figur 7b eine Voll (Rund) material - Schüttung als Drahtpositionierung/Drahtführung dargestellt. Die Abmessungen als Beispiel zeigen auf, dass der Abstand und der Durchmesser der Wärmeüberträger 3 in einem
bevorzugten Bereich liegen. Die Voll (Rund) materialien 72 bilden Abstandshalter für die Wärmeüberträger 3, um eine zu deren Befestigung am Körper der Wärmetauscherstruktur gewünscht beabstandete Bündelung zu erreichen.
Bei einer Drahtführung mit Drahtpins ist die erforderliche Breite der Wärmetauscherstruktur auf einmal herstellbar, bzw. die Drahtführung z.B. Kanülenführung besitzt die erforderliche Länge. In anderen Ausführungsformen der
Erfindung können die Drahtpins auch Schrittweise über die erforderliche Breite der Wärmeübertragerstruktur eingeführt werden, d.h. die jeweils eingeführten Drahtpinbündel
besitzen eine kleinere Breite als die erforderliche Breite der Wärmeübertragerstruktur. Beim Erreichen der
erforderlichen Breite der Wärmeübertragerstruktur wird dann gefügt. Beim Widerstandsschweißen ist auch eine Drahtführung so kurz wie die Drahtpins-Zufuhr möglich. Bei einer
Drahtführung mit Endlos-Draht kann die maximale Breite berechnet werden, wenn eine bestimmte Rollenbreite, z.B. 1 m, herangezogen wird und auf der Rolle die erforderliche Drahtzahl vorhanden ist, wobei jeder Draht auf der Rolle eine gewisse Breite beansprucht. Beispiel: Rolle 1 m Breite, 1 mm Breite für einen Faden, d.h. Draht, ergibt 1000 Fäden auf der Rolle. Bei einem Drahtabstand von 0,3 mm ergibt das eine maximale Breite von 300 mm für eine Drahtebene.
Figur 8 zeigt einen Schnitt durch die Verbindung zwischen Wärmeüberträger und Wärmetauscherstruktur in einer ersten Ausführungsform . Dargestellt ist ein Körper 4, welcher beispielsweise Teil eines Rohres einer Wärmetauscherstruktur sein kann oder aber auch Teil eines flächigen Körpers, welche beispielhaft in Figur 2 oder Figur 3 dargestellt sind .
Der Körper 4 ist mit Öffnungen 46 versehen, welche
beispielsweise durch Stanzen oder Prägen in die Oberfläche des Körpers 4 eingebracht werden können. In anderen
Ausführungsformen der Erfindung kann eine Öffnung 4 auch durch Bohren hergestellt sein. Hierdurch kann sich ein Grat bzw. Überstand ausbilden, wie in Figur 8 ersichtlich ist.
Weiterhin befindet sich auf dem Körper 4 eine Lotfolie 10. Die Wärmeüberträger 3 durchdringen die Lotfolie 10 und werden mit einem Ende in die zugeordnete Bohrung 46
eingeführt. Durch Erwärmen des Körpers 4 kann die Lotfolie 10 aufgeschmolzen werden, so dass sich eine sichere
Stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Körper 4 und dem Wärmeüberträger 3 ausbildet. Hierzu kann der sich
ausbildende Grat vorteilhaft beitragen, indem dieser die Kontaktfläche zwischen den Wärmeüberträgern 3 und dem Körper 4 vergrößert .
Figur 9 zeigt einen Schnitt durch die Verbindung zwischen Wärmeüberträger und Wärmetauscherstruktur in einer zweiten Ausführungsform . Auch der Körper 4 gemäß dieser Ausführungs- form wird vor dem Einbringen und Fügen der Wärmeüberträger 3 umgeformt. Dies kann beispielsweise durch ein Prägewerkzeug erfolgen, welches eine Mehrzahl von Vertiefungen 45 in die Oberfläche des Körpers 4 einprägt. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Vertiefungen 45 auch beim Urformen oder durch Umformen des Körpers 4 erzeugt werden. In wiederum einer anderen Ausführungsform der Erfindung können die Vertiefungen 45 dadurch erzeugt werden, dass das dem Körper 4 zugewandte Ende der Wärmeüberträger 3 den
Körper 4 verformt .
Im Anschluss an die Herstellung der Vertiefungen 45 wird in jede Vertiefung zumindest ein Wärmeüberträger 3 eingebracht. Dies kann vorteilhaft dadurch erfolgen, dass eine Mehrzahl von Wärmeüberträgern 3 in einem Führungselement geführt werden, welches ein zur Mehrzahl der Vertiefungen 45
identisches Raster bzw. Muster aufweist.
Nachdem die Wärmeüberträger 3 in den Vertiefungen 45
aufgenommen sind, erfolgt das Herstellen der Fügestelle 3, beispielsweise durch Kleben, Löten oder auch Schweißen.
Figur 10 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Wärmetauscherstruktur mit mehreren Fluidkanälen . Die Wärmetauscherstruktur enthält Körper 4, auf welchen
Wärmeüberträger 3 aufgebracht sind, wie vorstehend
beschrieben. Hierzu enthalten die Körper 4 Vertiefungen 45, welche die Wärmeüberträger 3 aufnehmen. Die Körper 4 selbst sind Hohlformen, so dass sich im Inneren des Körpers 4 ein erster Fluidkanal 81 ausbildet, durch welchen ein erstes Wärmeträgermedium strömen kann.
Die Körper 4 bestehen aus einer flächigen Grundform, in welche beiderseits Vertiefungen 45 eingeprägt sind. Die Vertiefungen 45 können zueinander versetzt angeordnet sein, so dass die Vertiefungen auf der Unterseite eines Körpers 4 zwischen den Vertiefungen auf der Oberseite des
entsprechenden (selben) Körpers zu liegen kommen. Hierdurch ist es möglich, eine Mehrzahl von Körpern durch
Wärmeüberträger 3 beabstandet voneinander anzuordnen. Die Wärmeüberträger 3 übernehmen somit einerseits die Funktion, den Wärmeaustausch zwischen den in den ersten Fluidkanälen 81 und den zweiten Fluidkanälen 82 strömenden
Wärmeträgermedien zu erhöhen. Daneben bilden die
Wärmeüberträger auch Abstandselemente, so dass sich zwischen benachbarten Oberflächen von benachbarten Körpern 4 zweite Fluidkanäle 82 ausbilden können.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste" und „zweite" Ausführungsformen definieren, so dient diese
Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Ausführungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen.

Claims

Ansprüche
1. Wärmetauscherstruktur (1) mit einem Körper (4) und stiftförmigen, im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtete Längsachsen aufweisenden Wärmeüberträgern (3) zum Austausch von Wärme zwischen dem Körper (4) und einem die Wärmeüberträger (3) umgebenden Fluidum, wobei die Wärmeüberträger (3) an einem Ende über Fügepunkte (5) an einer Oberfläche (6) des Körpers (4) befestigt sind, dadurch
gekennzeichnet, dass
der Körper (4) eine Hohlform bzw. ein Rohr ist, so dass im Inneren des Körpers (4) ein erster
Fluidkanal (81) ausgebildet ist, durch welchen ein erstes Wärmeträgermedium strömen kann.
2. Wärmetauscherstruktur (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (4) eine flächige Grundform aufweist.
3. Wärmetauscherstruktur (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Körper (4) Vertiefungen (45) eingeprägt sind, welche die
Wärmeüberträger (3) und/oder deren Fügepunkte (5) aufnehmen oder
dass in den Körper (4) Öffnungen (46) eingebracht sind, welche die Wärmeüberträger (3) und/oder deren Fügepunkte (5) aufnehmen.
4. Wärmetauscherstruktur (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (45) und/oder die Öffnungen (46) zueinander versetzt angeordnet sind, so dass die Vertiefungen (45) auf der
Unterseite eines Körpers (4) zwischen den
Vertiefungen (45) auf der Oberseite des
entsprechenden Körpers (4) zu liegen kommt.
5. Wärmetauscherstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeüberträger (3) eine Querschnittsfläche aufweisen, welcher kleiner als 0,25 mm2, oder kleiner als 0,1 mm2 oder kleiner als 0,01 mm2 ist.
6. Wärmetauscherstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügepunkte (5) einen inhomogenen Materialübergang der Wärme- Überträger (3) zum Körper (4) ausbilden.
7. Wärmetauscherstruktur (3) nach einem der Ansprüche 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Körpers (4) zwischen etwa 0,005 mm bis etwa
0,1 mm oder zwischen etwa 0,1 mm bis etwa 1,0 mm oder zwischen etwa 1,0 mm bis etwa 10 mm ausgebildet ist .
8. Wärmetauscherstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (4) und/oder die Wärmeüberträger (3) aus einem Metall oder einer Legierung gefertigt sind.
9. Wärmetauscherstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeüberträger (3) eine Oberflächenstrukturierung zur
Strömungsoptimierung und/oder
Wärmeübertragungsoptimierung aufweisen und/oder dass die Wärmeüberträger (3) einen
Strömungswiderstandsoptimierenden und/oder
Wärmeübertragungsoptimierenden Querschnitt
aufweisen .
10. Wärmetauscherstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeüberträger (3) zumindest teilweise in ein Sorbens eingebettet oder damit beschichtet (50) sind,
11. Wärmetauscherstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die
Wärmeüberträger (3) Hinterschneidungen (40)
aufweisen .
12. Wärmetauscherstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeüberträger (3) auf einer Oberfläche (6) des Körpers (4) homogen verteilt befestigt sind, wobei die
Mittelpunkte der Fügepunkte (5) der Wärmeüberträger (3) zwischen etwa 0,01 Millimeter bis etwa 20
Millimeter oder zwischen etwa 0,04 Millimeter bis etwa 10 Millimeter oder zwischen etwa 0,1 Millimeter bis etwa 4 Millimeter voneinander beabstandet sind.
13. Wärmetauscherstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , dass die Wärmeüberträger (3) auf der Oberfläche (6) des Körpers (4) inhomogen verteilt befestigt sind, wobei die
Mittelpunkte der Fügepunkte (5) der Wärmeüberträger (3) zwischen etwa 0,01 Millimeter bis etwa 50
Millimeteroder zwischen etwa 0,04 Millimeter bis etwa 25 Millimeter oder zwischen etwa 0,1 Millimeter bis etwa 10 Millimeter voneinander beabstandet sind.
14. Verfahren zur Herstellung einer Wärmetauscherstruktur (1) mit den Verfahrensschritten:
Bereitstellen eines Körpers (4) ,
Bereitstellen von stiftförmigen Wärmeüberträgern (3) mit maximalen Querschnittsflächen von weniger als 0,25 mm2, oder weniger als 0,1 mm2 oder weniger als 0,01 mm2 ,
Befestigen jeweils einen Endes der Wärmeüberträger (3) an einer Oberfläche (6) des Körpers (4) über Fügepunkte (5) ,
wobei die Wärmeüberträger (3) als Stränge von
Endlosmaterial, bereitgestellt werden, wobei eine Anzahl von Strängen entsprechend der Anzahl der Wärmeüberträger (3) parallel geführt werden und die Wärmeüberträger (3) als die freien Enden der Stränge im Wesentlichen gleichzeitig von den Strängen abgeschnitten werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeüberträger (3) in einem Bündel (7) bereitgehalten werden.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeüberträger (3) Draht
enthalten oder daraus bestehen.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass das Bündel (7) der Wärmeüberträger (3) durch Kanülenschüttung oder Vollmaterialschüttung oder zumindest eine
perforierte Platte (68) gebildet wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeüberträger (3) im Wesentlichen gleichzeitig an der Oberfläche (6) befestigt werden.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (4) eine Hohlform bzw. ein Rohr ist.
20. Verwendung einer Wärmetauscherstruktur (1) nach
einem der Ansprüche 1 bis 12 und/oder hergestellt nach einem der Ansprüche 14 bis 18, als Verdampfer und/oder Kondensator in einer Kältemaschine oder Wärmepumpe oder als Wärmeüberträger von einem Gas auf eine Flüssigkeit oder als Wärmespeicher oder als Trägerstruktur für katalytische oder sorptive
Prozesse .
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